装配式建筑结构体系设计要点及其发展趋势初探

装配式建筑结构体系设计要点及其发展趋势初探

秦君妍

（湖北城市职业学校 湖北黄石 435000）

摘要：目前，随着各个行业不断发展进步，建筑行业的施工成本却逐步上升，传统施工方式遭到冲击，而装配式建筑则备受瞩目。装配式建筑可以有效地优化传统的施工周期、施工材料、工程质量等问题。与国外相比，装配式建筑在我国尚处于刚刚起步阶段，新建装配式建筑占有率不足5%。上个世纪80年代之后，我们突然停止这个领域的发展，直到近些年，国家才再次提出大力发展装配式建筑，并且力争10年内，新建占比达到30%。目前我国的装配建筑行业尚处在发展时期，在建筑构件制作、建筑设计、抗震功能等各环节都存在不足，导致建筑设计与预期存在较大偏差，加大了投资成本。在施工过程中，必须遵循“安全实用”的基本理念，通过科学合理的方案来进行设计优化、施工优化，从而保证工程施工质量，推动整体装配建筑业发展。

关键词：装配式结构；设计要点；优化策略

引言

随着改革开放的深入发展，我国从落后的农业国家转变为较先进的工业国家，进入了工业革命的新时代，但装配建筑的工业化进程仍然落后于发达国家，没有突破的趋势。模块化预制结构的共同组成部分主要是预制混凝土，其形成过程包括装配、连接处理、实施已有部分的浇筑，最终建造一个完整的预制混凝土结构。生产链的工业化是装配式建筑的一个重要特点，需要加强建筑设计的标准化，重点是制定适应性的单元和保证单元协调。结构设计人员在处理结构体系、结构节点和预制构件时应考虑装配工程的实际情况，并应根据业主施工要求对结构布局平面进行多次比较，以便选择合理的节点设计，从而可以制定科学合理的装配结构设计方案，有效提高装配结构设计的标准、专业性和合理性。

１装配式建筑概述

装配式建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行，在工厂加工制作好建筑用构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等），运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑。

装配式建筑，听上去很新鲜，但它的历史可不算短了。100年前，英国工程师约翰提出装配式公寓的想法，并完成第一个作品。但是他的想法并没有在英国引起重视，却在东欧流行起来。二战结束以后，由于经济恢复，人口大量涌入城市，而战争中损坏了大量房屋，传统施工效率低下，解决不了人们住房问题，在这种背景之下，装配式建筑终于迎来了发展的机遇。到了20世纪60年代以后，更是在全世界范围得到推广。90年代以后，经过几十年的发展，欧美日等发达国家技术已经非常成熟。

我国自50年代至80年代就开始对装配式建筑结构进行研究，其种种优点使得它在近代的建筑行业中占有很大的地位。当前，随着新能源的开发和环境保护标准的不断提高，劳动力成本的不断上升，中国的预制装配式建筑结构得到了大力发展。预制装配式建筑结构的研发与应用越来越广泛。但由于我国的预制装配式建筑结构产业系统不健全，施工难度大，国内相当大一部分的设计工作者缺少预制装配式建筑结构的设计经验，也很难与有关制造商进行有效的沟通，这严重影响了装配式建筑结构的发展与进步，现阶段要想推动装配式建筑结构的应用就是要充分理解装配式建筑的设计要点，加强与各方面的交流，根据我国的经济和社会发展要求，制定出符合目前现状的建筑标准，为装配式建筑结构的普及和应用提供一个良好的基础。

2019年，中国建筑装配式建筑总面积达8734万㎡，全国新开工装配式建筑面积达4.18亿m²，占全国新建建筑面积的比例约为13.4%，较2018年增长45%。《关于进一步加强城市规划和建设管理工作的若干意见》提出，到2025年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。

但现阶段不能一味追求高装配率，因为我国装配式建筑仍处于初级阶段，无论是技术水平、管理模式，还是规范标准都在持续探索和完善，应当充分了解装配式建筑的特点及应用过程中的难点，不断从项目中总结经验，以探索出一条符合企业、行业以及国情发展的新建造之路。

2装配式建筑的优点

装配式建筑的优点如下：

（1）装配式建筑的预制构件在工厂加工完成后，直接运至施工现场进行组装，这种施工方式减少了二次加工工序，提高了结构的质量，保证了构件尺寸的准确性；

（2）与其他建筑工艺相比，装配式建筑结构简单、部件少、现场组装方便快捷，节约了大量的时间，实际使用效果良好；

（3）当采用预制构件法时，各专业之间能够相互配合、相互支持，施工过程中存在的问题能够得到及时解决。装配式建筑设计标准化减少了设计的随意性，并且简化了施工流程，从而达到了缩短工期、节约成本的目的；

（4）装配式建筑工程管理信息化水平高，从而降低了人们施工现场的工作难度，减少了施工人员的工作量；

（5）装配式建筑不需要使用大量的建筑材料，它的构件直接在工厂生产，就避免了在施工现场堆放混凝土等原材料，从而对周边环境污染较小，起到了环保的作用；

（6）装配式建筑符合绿色建筑发展要求，它已经成为建筑行业的发展方向。

3装配式建筑结构设计关键点分析

3.1图形设计

模块协调和图形设计是设计装配工作平面的基本原则。在图形设计中，需要优化家庭类型模块的类型和尺寸，通过装配标准结构类型模块形成工作平面，实现预制构件和内部部件的标准化和推广化，实现升级布置工作平面时，应合理选择大空间布局，并组织管道竖井和结构墙的位置，以实现合理布置工作空间的目标。

3.2整体设计

首先，必须对装配结构的设计作出合理可行的判断，并从结构类型、连接和网格等各个角度进行全面的设计。在设计中，工程师应与所有相关专家沟通和协调，以确保工程的方便性和安全性，切实提高整体结构的质量，实现效益最大化。安装预制构件时，工程师要整体考虑，例如某些相对较重的预制构件，如果在施工时不计算塔吊位置和起重负荷等因素，则无法将预制构件运输进行吊装，必须采用其他方法进行吊装，这样会增加成本。

3.3立面设计

对于套型组合采用模块化、标准化与系列化的特点进行立面设计，在预制墙板的设计中可以利用不同类型的饰面材料来体现纹理与色彩的变化。装配式建筑立面可通过采用不同墙体组件的组合与变化来实现较好的可变性与灵活性。例如可以在保证通风和采光满足要求的基础上，对窗口大小、比例和窗框形式进行调整。装配式建筑提倡装饰保温一体化，采用装配式一体化墙板满足建筑立面的要求。复杂的建筑立面推荐采用反打一次成型技术，例如石材反打等技术。复杂的建筑立面模板成本较高，从成本角度出发，建筑立面宜简洁，不宜设置复杂的突出的横线条或竖线条。建筑水平腰线宜设置于开始采用预制夹心墙板的楼层底部，立面竖线条宜采用不同颜色涂料凸显。

3.4分段点

对于切割作业，采用合理的起重方法，以确保准备好的零件在结构上标准化，并能满足连接和装配上的施工要求，从而实现规格较少、组合较多的目标。拆分结构时，构件的最大重量和尺寸取决于施工现场的要求。每个元件的连接点连接方式必须简单灵活；当大型段元件被分割为时，可以将其对称中心分割，单个部件的重量应尽可能接近，通常不应超过5t，且不应超过标高；普通模具中的循环数大于100。最好使用现地洒水头方法，如果发生地震，墙会承受很大的荷载，而使用现地柱洒水头方法可更轻松地连接元素；凸窗必须完全预制，并且更具重复性；部件的零部件是按级别而不是按级别划分的。

3.5科学设计装配式连接结构构件

为了确保连接的稳定，必须在纵向和横向连接处设置无缝连接，并进行套管注入。必须采用标准的加工工艺，在设计加固剪力墙时，必须保证混凝土节点的厚度。如果是预制构件的加强节点，则连接处的外侧也需要用水泥进行加固，在设计预制梁、板构件及混凝土桩时，应将二者有机地，联系在一起，科学地划分出表面的粗糙面与键槽的位置，以保证其设计的科学性剪力墙和混凝土构件的上部、下部按照粗糙表面的位置进行科学的衔接，结合部位采用键槽设计以达到加固作用。

3.6有效优化装配式混凝土结构设计

我国装配式混凝土结构工艺正在进一步完善，从设计角度来分析，设计人员需要对衔接节点进行优化，对衔接节点的各类构造及结构的耐久性进行分析与考量。同时，设计人员需要对整体建筑结构的抗震性能进行分析，从而提升房屋建造工程的综合质量与水平。此外，在研究过程中，研究人员需要采用更加科学的计算模型进行综合计算，应用专业技术来有效控制建筑结构的衔接点刚度，应用“强剪弱弯，增强节点”的原则提升预制构件的质量。在对装配式混凝土结构预制件进行加工的过程中，施工人员需要对整体预制构件的质量进行严格把控，在充分保证预制构件质量的前提下，确保建筑的其他性能得到优化，对抗震、装饰、保温等性能进行分析，从而使建筑的综合质量得到大幅度的提升。

4优化设计的重点及策略

4.1完善装配式建筑结构设计方案

对于承包商而言，在装配式结构元件制造时，他们应根据技术设计标准，对结构图纸的设计、部件设计过程、部件运输和结构元件的后续安装进行一系列标准化要求的约束，以改进装配式建筑结构的设计方案。在设计制作装配式建筑结构图时，需要考虑不同部件和机电设备之间的预设管道和孔洞预埋问题，并确定预埋部件的位置，以改进所有制造部件的施工工艺，为后期单元部件安装奠定一定的基础。在改进系统设计后，装配公司必须再次检查和审查设计图纸，以进行科学有序的部件精加工。

4.2优化细节

首先，约束边缘构件。科学约束措施有助于有效控制剪力墙承载能力。根据调查统计，使用超过40%的强制力可以有效提高剪力墙结构的承载能力；应用20%的限制条件可以提高建筑的抗震性能。作为特定设计工作的一部分，设计者必须确保正确选择了边缘构件。设计剪力墙边缘构件时，必须遵循三个基本原则：第一，如果与剪力墙底部设计的轴压力比率不一致如果超出标准要求，则需要通过添加受约束的边界构件来解决该问题。二是实施部队设计和性能优化设计遵守建筑剪力墙结构的标准设计方案，做好设计工作，确保贴现率符合标准要求。作为特定设计工作的一部分，剪切墙边缘构件的数量与建筑的抗震功能一起进行合理控制，从而充分保证了建筑的整体性能。第三，做好长时间的治疗工作。建筑扩建设计应科学运用均衡布置方案，采用对称设计方法，提高剪力墙承载力，确保结构性能。

4.3框架剪力墙系统

结构系统的剪力墙更多地使用现有结构进行构造。在此结构中，结构框架的梁和柱通常是预先装配的。人员应确保节点之间的连接部件符合施工计划和施工文档，以确保施工质量。值得注意的是，这种结构在高度和抗震方面与现有结构的传统设计方法有很大相似之处。以上是区分已安装体系结构的一般方法。但是，我国建筑业现在有几个因地区和机构不同而不同的区分方法。例如，从结构分离的角度来看，还可以将装配的建筑分为完全预制的结构、单侧结构、两面叠层墙结构等。

4.4强调装配组件和连接设计

预制构件应控制承载能力、变形和裂缝，并计算地震时的承载能力。此外，在短期设计工作条件(例如投射区、升降、运输、堆叠、安装等)下，必须考虑计算。构件的最终截面和钢筋因工作条件不同而受不同力的影响，或因为它们的混凝土强度达不到设计强度。此外，在设计预制构件时，最好选择合理的连接部分(通常是受力较小的部分)，并适当地调整构件的尺寸和形成构件。在设计整体结构时，应重点设计预制构件之间的连接，确保每个节点的安全性和可靠性，满足法规要求和要求。结构承载设计和抗震设计。防止整个结构不合理和由于节点故障而隐藏的风险。例如组合构件表面粗糙度报告要求、组合梁锚固要求、主副梁连接结构、预制柱连接节点结构和预制梁连接节点结构等。

4.5统一信息模型

为串联设计、生产、施工全过程，通常以施工图为载体（如平面图、立面图等）建立建设环节的沟通信息流。另外，该项目应用更高效的BIM技术建立了由预制构件、现浇结构及外架、铝模支撑系统等组成的BIM模型。通过建立BIM模型，串联了设计、生产、施工全过程，以数字化的途径实现了“数字孪生建筑”，将建筑的全部要素数字化、信息化，前移设计、施工接口，形成了无缝衔接，实现了构件深化设计、生产、施工的高效信息流，从而提高了项目的完成度，减少了设计变更和反复施工，真正实现了节约成本、提高效率、保证质量。此外，通过信息模型模拟建筑实体的整体及局部结构，并模拟各施工过程，实现了工程优化设计，例如，优化钢筋桁架楼承板与叠合板的布局，工厂提前处理预制外墙与砌筑墙体的结合部位等。还可以解决设计问题及碰撞问题，如预制凸窗与阳台梁碰撞、机电点位与预制构件钢筋碰撞、竖向构件斜支撑点位与铝模加固背楞碰撞等。

4.6设计方案优化

BIM技术可以实现各专业并行协同设计，系统信息实时更新交互，同时可以自动检查各专业之间的碰撞情况，代替人工绘制图纸过程中的碰撞考虑，使装配式建筑电气、智能化设计中的预留开关、线盒、管线、洞口设计更加准确合理。生成的碰撞检测报告，按照“检测→优化→再检测”的原则，不断完善设计方案，以保证装配式生产和施工的顺利进行，且三维视图更有利于设计模型可视化，从而提高设计精度和设计效率。

4.7内置节点设计

影响内建住宅节点的营造主要包括主体营造、内部和外部修复、安装路径和内部装饰。在维护结构安全性时，必须设计节点以保证质量、降低成本等优点。因此，若要降低设计成本，需要优化装配建筑的连接。为确保建筑安全，推动房地产业稳步发展，利用现代技术创新地优化了节点，使设计更加科学合理。规划PC备件链接节点时，会考虑复杂的节点，这些节点可能会导致高生产成本和高现场安装难度。当节点设计过于简单时，很难满足连接节点的结构要求。这需要与利益攸关方密切合作，以确保其可靠性，并从各种角度进行广泛选择，例如生产安装的简便性、节点定价成本以及最终的最优节点设计方案。在组合中设计结构节点时，主体结构、内部和外部边界、设备管等是连接元件的重要元件。在某些结构节点中，重点应放在程序和施工方法上，以便在不影响施工质量的情况下将施工成本降至最低。通过确保工程的安全性和质量，最大限度地实现施工项目的产业化。对于已经连接到混凝土结构的节点，由于其复杂性，可能会产生高生产要求，从而导致生产困难和高成本。当节点结构简单时，即使是简单的制造装配，也很难满足结构的要求。

结束语

随着装配式建筑的快速发展和广泛应用，当今建设项目中装配式建筑行业的设计、施工技术日趋发展，今后建设发展中，追求效益与提高施工效率和保证建筑质量一样有着重要的地位，值得进一步研究，突出建筑行业的技术经济效益。

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